Введение
Однородная смесь растворенного вещества и растворителя.
В химии раствор – это особый тип однородной смеси, состоящий из двух или более веществ. В такой смеси растворенное вещество – это субстанция, растворенная в другой субстанции, известной как растворитель. Если силы притяжения между частицами растворителя и растворенного вещества превышают силы притяжения, удерживающие частицы растворенного вещества вместе, то частицы растворителя разделяют частицы растворенного вещества и окружают их. Эти окруженные частицы растворенного вещества затем отрываются от твердого растворенного вещества и переходят в раствор. Процесс смешивания при образовании раствора происходит в масштабе, где задействованы эффекты химической полярности, что приводит к взаимодействиям, специфичным для сольватации. Обычно раствор находится в том же агрегатном состоянии, что и растворитель, особенно когда растворитель составляет большую часть смеси, что часто и бывает. Важным параметром раствора является концентрация, которая измеряет количество растворенного вещества в заданном объеме раствора или растворителя. Термин «водный раствор» используется, когда одним из растворителей является вода.
Характеристики
Раствор — это однородная смесь двух или более веществ. Частицы растворенного вещества в растворе не видны невооружённым глазом. В отличие от этого, частицы могут быть видны в суспензии. Раствор не вызывает рассеяния световых лучей. Напротив, частицы в суспензии или коллоиде могут вызывать эффект Тиндаля или рассеяние Рэлея. Раствор стабилен, и растворённые вещества не выпадают в осадок, если только не превышена растворимость смеси, в этом случае избыток остаётся в твёрдой фазе. Раствор, содержащий больше растворённого вещества, чем находится в равновесии, называется пересыщенным. Растворённые вещества и растворители в растворе нельзя разделить фильтрацией (или механически). Он состоит из одной фазы.
Типы
Однородность означает, что компоненты смеси образуют единую фазу. Гетерогенность означает, что компоненты смеси находятся в разных фазах. Свойства смеси (такие как концентрация, температура и плотность) могут быть равномерно распределены по объему, но только при отсутствии явлений диффузии или после их завершения. Обычно вещество, присутствующее в наибольшем количестве, считается растворителем. Растворителями могут быть газы, жидкости или твердые вещества. Один или несколько компонентов, присутствующих в растворе, помимо растворителя, называются растворенными веществами. Раствор имеет то же физическое состояние, что и растворитель.
Газовые смеси
Если растворитель является газом, то при заданных условиях в нем растворяются только газы (неконденсируемые) или пары (конденсируемые). Примером газообразного раствора является воздух (кислород и другие газы, растворенные в азоте). Поскольку взаимодействия между газообразными молекулами практически не играют роли, неконденсируемые газы образуют весьма простые растворы. В научной литературе они часто даже не классифицируются как растворы, а рассматриваются как однородные газовые смеси. Броуновское движение и непрерывная молекулярная активность газовых молекул обеспечивают однородность газообразных систем. Неконденсируемые газовые смеси (например, воздух/CO2 или воздух/ксенон) не разделяются самопроизвольно и не образуют отчетливо выраженных слоев газа, разделенных по относительной плотности. Диффузионные силы эффективно противодействуют силам гравитации в обычных условиях, существующих на Земле. Случай с конденсируемыми парами отличается: как только при определенной температуре достигается давление насыщенного пара, избыток пара конденсируется в жидкую фазу.
Растворимость
Способность одного соединения растворяться в другом называется растворимостью. Если одна жидкость полностью растворяется в другой, то эти две жидкости считаются смешивающимися. Два вещества, которые не смешиваются ни при каких условиях с образованием раствора, называются несмешивающимися. Все растворы характеризуются положительной энтропией смешивания. Взаимодействия между различными молекулами или ионами могут быть энергетически выгодными или невыгодными. Если взаимодействия невыгодны, то свободная энергия уменьшается с ростом концентрации растворенного вещества. В определенный момент потеря энергии превышает прирост энтропии, и дальнейшее растворение частиц невозможно; раствор считается насыщенным. Однако точка насыщения раствора может существенно изменяться под воздействием различных факторов окружающей среды, таких как температура, давление и наличие примесей. Для некоторых комбинаций растворителя и растворенного вещества можно получить пересыщенный раствор, увеличив растворимость (например, повысив температуру) для растворения большего количества вещества, а затем уменьшив ее (например, охлаждением). Как правило, чем выше температура растворителя, тем больше твердого растворенного вещества он способен растворить. Однако для большинства газов и некоторых соединений растворимость уменьшается с повышением температуры. Это связано с экзотермической энтальпией растворения. Некоторые поверхностно-активные вещества демонстрируют подобное поведение. Растворимость жидкостей в жидкостях обычно менее чувствительна к температуре, чем растворимость твердых веществ или газов.
Свойства
Физические свойства соединений, такие как температура плавления и температура кипения, изменяются при добавлении других соединений. Все вместе они называются коллигативными свойствами. Существует несколько способов количественно оценить количество одного соединения, растворенного в других, которые в совокупности называются концентрацией. Примеры включают молярность, объемную долю и мольную долю. Свойства идеальных растворов можно рассчитать как линейную комбинацию свойств их компонентов. Если растворенное вещество и растворитель присутствуют в равных количествах (например, в 50% этаноле и 50% воде), понятия "растворенное вещество" и "растворитель" становятся менее значимыми, но вещество, которое чаще используется в качестве растворителя, обычно и обозначается как растворитель (в данном примере – вода).
Характеристики жидкого раствора
В принципе, все типы жидкостей могут выступать в роли растворителей: жидкие благородные газы, расплавленные металлы, расплавленные соли, расплавленные ковалентные сети и молекулярные жидкости. На практике, в химии и биохимии, большинство растворителей – это молекулярные жидкости. Их можно классифицировать на полярные и неполярные, в зависимости от наличия у их молекул постоянного электрического дипольного момента. Другое различие заключается в способности их молекул образовывать водородные связи (протические и апротические растворители). Вода, наиболее распространенный растворитель, является одновременно полярной и способна поддерживать водородные связи. Соли растворяются в полярных растворителях, образуя положительные и отрицательные ионы, которые притягиваются к отрицательному и положительному концам молекулы растворителя соответственно. Если растворителем является вода, происходит гидратация – окружение заряженных ионов растворенного вещества молекулами воды. Типичный пример – соленая вода. Такие растворы называются электролитами. При растворении соли в воде необходимо учитывать ионную ассоциацию. Полярные растворенные вещества растворяются в полярных растворителях, образуя полярные связи или водородные связи. Например, все алкогольные напитки представляют собой водные растворы этанола. С другой стороны, неполярные растворенные вещества лучше растворяются в неполярных растворителях. Примерами служат углеводороды, такие как масло и жир, которые легко смешиваются, но несовместимы с водой. Примером несмешиваемости масла и воды является утечка нефти из поврежденного танкера, которая не растворяется в морской воде, а плавает на поверхности.